Основными материалами для поверхностей нагрева паровых котлов слу жат качественные углеродистые, а также легированные стати (легирование — введение в основной метатл добавки другого для улучшения его свойств). Большинство легирующих элементов относится к дорогим материалам, что заметно удорожает стать, однако их введение повышает жаропрочность стати и стойкость против высокотемпературной газовой коррозии. Температурный диапазон применения той или другой марки стати зависит от качества стати, коррозионных свойств газовой среды, в которой работает стать (свойств сжигаемого топлива), давления рабочей среды в трубах и др. [6].
Углеродистая (нелегированная) стать применяется для изготовления элементов котла, работающих при температурах не выше 450 °С. Низколегированная стать перлитного класса содержит не более 4-5 % легирующих метатлов. Эти стати устойчивы против
Ползучести при температуре металла до 580 °С. Высоколегированные стали аустенитного класса содержат от 10 до 30 % легирующих металлов. При этом изменяется структура стали (однородный твердый раствор углерода и металлов), она после механической обработки (сварки, гибки) требует специального высокотемпературного режима выдержки для снятия вну тренних напряжений. Аустенитные стали применяют до температу ры 650 °С. Некоторые характерные марки сталей и области их применения приведены в табл. 2.1. Определение расчетной максимальной температу ры металла в поверхностях нагрева, расположенных в зоне высоких тепловых потоков (топочные экраны при СКД, пароперегреватели) производят на основе норм расчета элементов котла на прочность [2]. В данном конструктивном тепловом расчете рекомендуется ограничиться оценкой максимальной температуры для этих поверхностей, приведенной в табл. 2.1. Экранные поверхности барабанных котлов ВД выполняют из труб относительно большого диаметра (см. табл. 2.2), т. к. дальнейшее уменьшение внутреннего диаметра ведет к заметному росту гидравлического сопротивления, что снижает надежность естественной цирку ляции. Поверхности пароперегревателя в пределах топки как правило располагают на потолке ее, где более низкие тепловые напряжения. На ряде новых типов барабанных котлов (паропроизводи — тельностью 500-670 т/ч при давлении пара 13,8 МПа) использованы горизонтальные и вертикальные радиационные панели пароперегревателя ВД поверх настенных экранов в верхней половине топки. В эти панели поступает пар низкой температуры, близкой к насыщению.
Таблица 2.1
Марки сталей и области их применения в паровых котлах
Марка стали |
Содержание легирующих элементов, % |
Область применения |
Максимальная расчетная температура металла, °С |
15К. 2(Ж 22К Сталь 20 16ГНМА 15ХМ 15ХМ |
К Низкол Мп= 0.8-1.1 Ni= 1.0-1.3 Mo = 0,4-0,55 Cr = 0.8-1.1 Mo = 0.4-0.6 |
Ачествеииые углеродистые стали Барабаны, работающие при давлении менее 6 МПа и температуре менее 450 °С Барабаны работающие при давлении 6- 12.5 МПа Камеры экономайзеров, экранов вне зоны обогрева Камеры обогреваемые (вну три газохода) при Я, < 600 °С Камеры обогреваемые (вну три газохода) при 600< »г < 900 °С Трубы поверхностей нагрева (экономайзеры. экраны) работающие при температуре менее 480 °С Егированные стали перлитного класса Барабаны при давлении 14-18.5 МПа и температуре метала до 450 °С Коллекторы и трубо(паро)проводы вне зоны обогрева при температуре рабочей среды до 540 °С Трубы пароперегревателей При /с| < 550 °С |
‘ст = ‘н ‘ст = ‘н Т = т Ст рс ‘ст=’рс+3 + Ю ‘и = ‘рс +28 + 20 ‘ст=’рс+(30-60) ‘ст =’н ‘ст=’рс+Ю |
Окончание таблицы 2.1
Примечания: 1. Обозначения: Яг — температура газового потока, °С: tCT — температура стенки металла, °С: T — температура рабочей среды (пара или воды) в элементе поверхности, °С: 8 — толщина стенки камеры (коллектора), мм. 2. При сжигании мазута для исключения ванадиевой коррозии труб пароперегревателей максимальная температура стенки не должна превышать 600 °С. |
Экранные поверхности прямоточных котлов выполняют трубами меньшего наружного диаметра (табл. 2.2), что уменьшает расход метатла на единицу площади экрана (1 м ) в 1,3-1,4 раза. Стремятся все экранные панели выполнить из труб одного диаметра. Это облегчает монтаж котла и обеспечивает по мере роста энтатьпии рабочей среды изменение проходного сечения рабочих панелей за счет числа параллельно включенных труб (или числа параллельных потоков). На прямоточных котлах старых выпусков (до 1960 г.) применятось ступенчатое увеличение диаметра труб по мере перехода от движения воды и пароводяной смеси в НРЧ к движению пара в ВРЧ. Разделение топочных экранов на несколько последовательных частей (секций) по ходу рабочей среды с перемешиванием ее уменьшает разверку температу р и обеспечивает стабильность гидродинамических характеристик.
Топочные экраны на современных котлах выполняют газоплотными. Для этого используют либо специальные птавниковые трубы, либо сваривают экранные трубы металлическими полосами (проставками) той же толщины, что и стенка трубы. В верхней части топки, где делается вывод за ее пределы всех труб экранов, а также змеевиков пароперегревателей через потолок горизонтального газохода, выполняется потолочный уплот — нительный короб (шатер) с наддувом от дутьевого вентилятора.
В горизонтальном газоходе находятся поверхности пароперегревателя, выполненные, как правило, из змеевиков коридорного типа (ширмовые, ленточные, обычные змее — виковые) с несколько увеличенным поперечным шагом v > 3.5с/ для исключения шлакования при высоких температу рах газов (твердые топлива) и усиления теплообмена за счет излучения развитых межтрубных газовых объемов. В конвективной шахте применяют более плотные шахматные пу чки труб.
Таблица 2.2
Конструктивные характеристики труб поверхностей нагрева котлов
Элемент поверхности |
Диаметр d и толщина стенки 8, мм |
Шаги труб, мм |
||
D |
8 |
Ctj = sl jd |
G-, = s^/d |
|
Топочный экран гладкотруб- |
||||
Ный: |
||||
Барабанный котел ВД |
60 |
5 |
1,07 |
— |
Прямоточный котел ВД |
40, 42, 50 |
4,5-5 |
1,1 |
— |
Прямоточный котел СКД |
32,38 |
6 |
1,1 |
— |
Топочный экран газоплотный: |
||||
Барабанный котел ВД |
60 |
6 |
1,-3-3 |
— |
Прямоточный котел ВД |
42, 50 |
4,5-5 |
1,4 |
— |
Прямоточный котел СКД |
32 |
6 |
1,45 |
— |
Пароперегреватель ВД: |
||||
Радиационный |
32,42 |
4-6 |
1,1(1,2) |
— |
Ширмовый |
32, 36, 42 |
4-6 |
17-21 |
1.1(1.2) |
Змеевиковый ленточный |
32, 36, 38 |
4-6 |
4,5-7,0 |
1.8-2 (1,5) |
Змеевиковый коридорного и |
||||
Шахматного типа |
32, 36, 38 |
4-6 |
2,3-6.5 |
1,5-2,5 (1,5) |
Промеж, пароперегреватель |
42, 45, 50 |
3,5-5,5 |
2,5-3,5 |
1,4-1,6 (2) |
Переходная зона |
28, 32 |
3,5-4,5 |
2,5-3,5 |
1,2-1,3 |
Экономайзер |
28, 32 |
4-6 |
2,3-3,0 |
1,25-1,7 (2,5- |
3,2) |
||||
Воздухоподогреватель: |
||||
Трубчатый |
40 |
1,5 |
1,35 |
1,01 |
Регенеративный (горяч, часть) |
— |
0,63 |
7,8-9,6 |
— |
Регенеративный (хол. часть) |
— |
1,2 |
9,8 |
— |
Примечание: В скобках указаны размеры для мембранных поверхностей, остальные размеры — для гладкот — рубных поверхностей |
При выполнении поверхностей котла используются трубы определенного наружного диаметра указанного в табл. 2.2. Толщина стенки определяется расчетом прочности, ее округляют до значения 0,5 мм в указанном диапазоне, при этом большая толщина стенки соответствует большему ее диаметру.
Широкое распространение имеет выполнение мембранных поверхностей нагрева за счет вварки между трубами проставок разной ширины. Увеличение ширины проставки до значения порядка 3.5с/ повышает интенсивность теплообмена, однако в области высоких температур газової! среды приходится уменьшать ширину проставок, чтобы ее максимальная температура (в середине между трубами) не превышата допустимой по условиям коррозии. В области относительно низких температу р газов (Яг < 700 °С), где снижается общая интенсивность теплообмена (экономайзер), усиливают теплообмен с газовой стороны путем приварки к мембранной конструкции змеевика еще поперечных ребер (мем — бранно-лепестковые конвективные поверхности). Такие поверхности проходят сейчас длительное опробование.
Наименьший диаметр труб, рекомендованный к использованию в энергетических паровых и водогрейных котлах, ограничен 28 мм. Датьнейшее уменьшение диаметра связано со значительным ростом внутреннего гидравлического сопротивления, увеличением при этом числа парашіельно включенных труб для обеспечения заданного расхода среды, числа изгибов и сварных стыков, что приводит к подорожанию производства и снижению надежности работы поверхности.